波と光学:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、4 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

ばねと振り子

ばね振り子
T = 2π·√(m/k)
単振り子
T = 2π·√(L/g)
角周波数
ω = √(k/m) = 2π/T
最大の速さと最大の加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
エネルギー
E = ½·k·A²

波・音・光学

波の速さ
v = fλ, T = 1/f
弦
v = √(T/μ), μ = m/L
音の強さのレベル
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
点音源
I = P/(4πr²)
定常波
弦または開管 fn = n·v/(2L); 閉管 fn = n·v/(4L)、n は奇数
ドップラー効果
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
屈折率
n = c/v, λ = λ0/n
スネルの法則
n1sin θ1 = n2sin θ2
臨界角
sin θc = n2/n1
光ファイバー
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
レンズと鏡
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
二重スリット
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
回折格子
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
単スリット
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

解き方

  1. 問題の種類を見極めましょう:波の速さ、音の強さのレベル、定常波、ドップラー効果、屈折、レンズか鏡、または干渉。
  2. まず関係式を書きましょう:v = fλ、β = 10·log(I/I₀)、fₙ = n·v/(2L) または n·v/(4L)、f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs)、n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂、1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ、d·sin θ = mλ。
  3. 単位を換算しましょう:nm、mm、cm を m に。角度が法線から測られているかも確かめましょう。
  4. 符号ともっともらしさを確かめましょう:虚像は dᵢ < 0、近づく音源は高く聞こえる、閉管には奇数次の倍音しかない。

2演習問題

1.ばねと振り子ふつう
L = 2.2 m

長さ 2.2 m の単振り子がある。g = 9.81 m/s² とする。小さな振れ幅での周期 T を求めよ。

L = 2.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
2.ばねと振り子むずかしい
t (s)x (cm)t = ?11.2

ある物体が周期 1.4 s、振幅 16 cm で単振動をしている。 つり合いの位置から変位 11.2 cm まで動くのに必要な最短時間 t はどれだけか。

T = 1.4 sA = 16 cmx = 11.2 cm
t = s
3.波・音・光学ふつう
S15 m/sOf = 600 Hz

600 Hz の音源が、静止している観測者に向かって 15 m/s で動いています。 音速は 343 m/s です。観測者に聞こえる振動数 f′ を求めてください。

f = 600 Hzv = 343 m/svs = 15 m/s
f′ = Hz
4.波・音・光学むずかしい
θa​ = ?n1​ = 1.55n2​ = 1.54n0​ = 1.00

光ファイバーのコアは n₁ = 1.55、クラッドは n₂ = 1.54 です。空気中からファイバーの端に入った光が、全反射によってなお導かれる、ファイバーの軸に対する最大の角度 θa を求めてください。

n1 = 1.55n2 = 1.54n0 = 1.00
θa = °

3溶液

1.ばねと振り子

答え: T = 2.975 s

単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。

振り子の周期

T = 2π·√(2.2/9.81) = 2.975 s

答え

T = 2.975 s
2.ばねと振り子

答え: t = 0.1728 s

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

角周波数

ω = 2π/T = 2π/1.4 = 4.488 rad/s

時間について解く

0.7 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.7) = 0.7754 rad
t = 0.7754/4.488 = 0.1728 s

答え

t = 0.1728 s
3.波・音・光学

答え: f′ = 627.4 Hz

定常波とドップラー効果:両端が固定された弦や両端が開いた管には、半波長の整数倍が収まります:L = nλ/2、fn = n·v/(2L)、n = 1, 2, 3, … 一端が閉じた管では、閉じた端が節、開いた端が腹になります:L = nλ/4(n は奇数のみ)、fn = n·v/(4L)。音源または観測者が両者を結ぶ線上を動くとき、f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs) となります:互いに近づく運動には上側の符号を使います。振動数がほぼ等しい 2 つの波は、|f₁ − f₂| でうなりを生じます。

ドップラーの公式

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 600·(343 + 0)/(343 − 15)
f′ = 627.4 Hz

答え

f′ = 627.4 Hz
4.波・音・光学

答え: θa = 10.12 °

幾何光学:境界では n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(スネルの法則)が成り立ち、角度は法線から測り、n = c/v です。より遅い媒質に入るとき、光線は法線に近づくように曲がります。より密な媒質(n₁ > n₂)から臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) を超えると、すべての光が反射されます:全反射です。薄いレンズと球面鏡は 1/f = 1/do + 1/di に従い、倍率は m = −di/do です。符号の規則:収束レンズと凹面鏡(f = R/2)では f > 0、発散レンズと凸面鏡では f < 0 です。di > 0 は実像、di < 0 は虚像、m < 0 は倒立した像を表します。

クラッドでの臨界角

sin θc = 1.54/1.55 = 0.9935 → θc = 83.49°

開口数

NA = √(1.55² − 1.54²) = 0.1758

受光角

θa = arcsin(0.1758) = 10.12°

答え

θa = 10.12°

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